具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统，该方法包括：采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。本发明专利技术可实现具有复杂动态失真效应的红外场景图像的实时生成，可为红外传感器动态测试提供支撑。

Real-time generation method and system of infrared scene image with dynamic distortion effect

System and real-time generation of the invention discloses a method of infrared scene image with dynamic distortion effect, the method includes: using the ray tracing method and physical optics method to calculate turbulence and turbulence data transmission effect, transmission effect of data stored in the CUDA graphics cache; modeling of infrared scene elements and infrared scene radiation; the radiation characteristics of the infrared scene real-time solution, mapping radiation characteristic and gray infrared scene, rendering of dynamic infrared image and its image in the video frame buffer is rendered into a gray image matrix data; according to the turbulence transmission effect data and image gray matrix data, infrared scene image using the real-time parallel computing ability to generate graphics CUDA with dynamic distortion effects. The invention can realize real-time generation of infrared scene image with complex dynamic distortion effect, and can provide support for dynamic test of infrared sensor.

【技术实现步骤摘要】
具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统
本专利技术涉及仿真
更具体地，涉及一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统。
技术介绍
工作在湍流大气环境下的红外成像传感器面临着复杂的传输干扰，给图像识别带来了很大的困难。如何对干扰环境带来的动态失真效应图像进行模拟，是考核红外成像传感器性能的关键技术。由于大气湍流状态瞬息万变，计算十分复杂，单纯依赖普遍采用的基于显卡图形计算引擎的动态光学场景图像生成方法无法保证图像失真效应仿真的实时性。目前的失真效果图像模拟通常是对单帧或多帧图像离散处理进行分析研究，动态特性的考核十分受限，急需解决复杂传输干扰的建模及实时模拟方法，实现对干扰传输形成的图像模糊、抖动和偏移等图像退化效应动态图像的实时仿真。因此，需要提供一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法及系统，以将显卡动态图像生成能力与显卡的CUDA并行计算能力相结合，避免显存数据与内存数据交互的时间消耗，借助CUDA运算实现了动态图像处理，进而解决复杂红外失真效应图像的实时生成问题。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，包括：采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。优选地，所述失真效应包括抖动、模糊和偏移的大气湍流传输失真效应。优选地，所述采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据包括：采用光线追迹法对经过流场的光线进行追迹得到光线的传播路径，沿路径进行积分得出到达光瞳面上的光程差或相位差，由光程差或相位差构建光瞳函数；采用物理光学方法得到通过流场之后的像面光波复振幅分布，通过像面复振幅分布得到点扩散函数和光学传递特性，作为湍流传输效应数据。优选地，所述对红外场景元素及红外场景辐射特性建模包括：依据近似原型和适合特性计算的模型简化原则，建立红外场景元素三维网格模型，利用三角形面片集合逼近形体，模型的每个三角形面片定义为一个网格，形成模型文件；根据红外场景元素状态及观测状态计算红外场景辐射特性分布数据，得到红外场景辐射特性。优选地，所述对红外场景辐射特性进行实时动态解算包括：对红外场景元素每个面片的红外辐射特性进行实时动态解算，完成三维模型变换及场景变换，确定每帧的红外成像传感器观测视角的目标姿态、目标张角等几何关系，真实复现红外成像传感器在不同成像距离、观测角度下实时观测的目标张角和几何形态及运动特性图像仿真。优选地，所述根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像包括：实时获取显卡图像帧缓存中当前帧的红外场景图像灰度矩阵数据，并依据红外成像传感器的实时位置信息读取显卡CUDA缓存中预先存储的相应的的湍流传输效应数据，利用显卡CUDA的并行运算能力动态完成根据湍流传输数据与图像灰度矩阵数据实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。一种执行上述方法的具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成系统，包括：湍流传输效应数据计算模块，采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；红外场景建模模块，对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；红外场景图像实时绘制模块，对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；具有动态失真效应的红外场景图像实时生成模块，根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。本专利技术的有益效果如下：本专利技术所述技术方案本通过预处理计算湍流复杂传输效应数据及预先映射至显卡CUDA缓存的方式，解决了复杂红外失真效应图像动态实时生成问题。取代将传输效应数据存储存储在内存中方式，在动态场景仿真过程中，一方面避免了将每帧图像显存数据与内存数据动态交互的将近3ms的时间消耗；另一方面，利用了CUDA超强的并行运算能力实现了高速动态图像处理，最终实现了复杂湍流效应传输带来的红外场景动态失真效应图像的实时生成，可为红外传感器动态测试提供支撑。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明；图1示出具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法的流程图。图2示出具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成系统的示意图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。如图1所示，本实施例提供的具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，包括如下步骤：采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像，其中，失真效应包括抖动、模糊和偏移等大气湍流传输失真效应。在具体实施时，由于湍流传输效果的影响是随时间瞬息万变的，而流场传输效应计算是相当耗时的，因此本实施例提供的方法采用预计算方式得到每帧的作用数据。考虑实际仿真工程应用，采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据：首先采用光线追迹法对经过流场的光线进行追迹得到光线的传播路径，再沿路径进行积分得出到达光瞳面上的光程差或相位差，由光程差或相位差(可统称为波像差)构建光瞳函数；之后，采用物理光学方法得到通过流场之后的像面光波复振幅分布，通过像面复振幅分布可以得到点扩散函数(PSF)和光学传递特性，作为湍流传输效应数据，并建立红外成像传感器位置建立索引关系，再映射至显卡CUDA缓存中存储。在具体实施时，对红外场景元素进行建模是依据近似原型和适合特性计算的模型简化原则，建立红外场景元素三维网格模型，利用三角形面片集合逼近形体，模型的每个三角形面片定义为一个网格，形成模型文件。为保证实时仿真需求，依据红外目标的几何形状、尺寸和辐射分布，确定目标的节点体系结构，即对目标进行面元、体元剖分，并以节点结构管理，方便后续计算；再根据红外场景元素状态及观测状态计算红外场景辐射特性分布数据，得到红外场景辐射特性。在具体实施时，对红外场景辐射特性进行实时动态解算是对红外场景元素每个面片的红外辐射特性进行实时动态解算，完成三维模型变换及场景变换，确定每帧的红外成像传感器观测视角的目标姿态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，其特征在于，包括：采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。

【技术特征摘要】
1.一种具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，其特征在于，包括：采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据，并将湍流传输效应数据存储在显卡CUDA缓存中；对红外场景元素及红外场景辐射特性建模；对红外场景辐射特性进行实时动态解算，建立红外场景辐射特性与灰度的映射，绘制动态红外灰度图像并将其在显卡图像帧缓存中渲染成图像灰度矩阵数据；根据湍流传输效应数据和图像灰度矩阵数据，利用显卡CUDA的并行运算能力实时生成具有动态失真效应的红外场景图像。2.根据权利要求1所述的具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，其特征在于，所述失真效应包括抖动、模糊和偏移的大气湍流传输失真效应。3.根据权利要求1所述的具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，其特征在于，所述采用光线追迹法和物理光学方法计算得到湍流传输效应数据包括：采用光线追迹法对经过流场的光线进行追迹得到光线的传播路径，沿路径进行积分得出到达光瞳面上的光程差或相位差，由光程差或相位差构建光瞳函数；采用物理光学方法得到通过流场之后的像面光波复振幅分布，通过像面复振幅分布得到点扩散函数和光学传递特性，作为湍流传输效应数据。4.根据权利要求1所述的具有动态失真效应的红外场景图像的实时生成方法，其特征在于，所述对红外场景元素及红外场景辐射特性建模包括：依据近似原型和适合特性计算的模型简化原则，建立红外场景元素三维网格模型，利用三角形面片集合逼近形体，模型的每个三角形面片定义为一个网格，形成模型文件；根据红外场景元素状态及观测状态计算红外场景辐射特性分布数据，得到红外场景辐射特性。5.根据权利要求1所述的具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜惠杰，张兴，费锦东，虞红，高阳，张盈，赵宏鸣，杜渐，
申请(专利权)人：北京仿真中心，
类型：发明
国别省市：北京,11